大刀洗平和記念館が国内外の航空機ファンや歴史研究者から極めて高く評価されている最大の理由が、歴史的に極めて貴重な2機の実機展示です。
エントランスを抜けたメインホールで圧倒的な存在感を放つのが、世界で唯一現存する海軍「零式艦上戦闘機三二型（零戦三二型）」です。零戦といえば丸みを帯びた主翼端が知られていますが、三二型は高高度性能の向上とロール性能（横転速度）の改善を狙い、主翼端を50センチメートルずつ切り落とした角型のウイングチップが最大の特徴です。
エンジンの出力向上を図った一方で航続距離が短縮してしまい、ガダルカナル島の攻防戦では長距離進出に苦戦したという悲劇の航空工学史を物語る機体です。展示されている機体は、南洋のマーシャル諸島マロエラップ環礁（タロア島）で発見・回収された残骸を、気の遠くなるような職人技によって忠実に復元した奇跡の個体であり、世界中を探してもここでしか見ることができません。
もうひとつの重要展示が、陸軍の「九七式戦闘機」です。日中戦争から太平洋戦争初期にかけて陸軍の主力として活躍した名機であり、現在世界で確認されている実機はこの1機のみです。1945年の終戦間際、特攻機中継や連絡任務の途中で福岡の博多湾に不時着水し、半世紀以上もの間海底に眠っていた機体が1996年に引き揚げられました。
館内では過度な再塗装を行わず、海底の塩分に侵食された生々しい外板の腐食や歪みをそのまま残す形で保存展示されています。機体が纏う圧倒的な「生きた歴史の痕跡」は、模型や写真では決して伝わらない戦争の現実を突きつけてきます。
